洗衣机专题物理

1洗衣机中的物理知识湖南长沙市十二中（410011）刘岳衡例1、正在脱水的洗衣机，当脱水桶转得很快时，洗衣机机身振动并不强烈，切断电源，脱水桶转动逐渐慢下来，到某一时刻t，洗衣机机身反而发生强烈振动，此后脱水桶转速继续变慢，洗衣机的振动也随之减弱，这种现象说明A.在t时刻，洗衣机的惯性最大B.洗衣机出现故障需要修理C.在t时刻，脱水桶的转动频率与机身的固有频率相等，发生共振D.脱水桶内所放的衣物太多解析开始脱水桶转得很快，其转动频率大于机身的固有频率，洗衣机机身不会产生共振，其振幅不大；切断电源后，脱水桶转动逐渐慢下来，在某一时刻t，脱水桶的转动频率与机身的固有频率相等时，洗衣机机身发生共振,则其振幅到达最大；此后脱水桶转速继续变慢，其转动的频率小于机身的固有频率，同样，洗衣机机身也不会产生共振，其振幅也不大。故选项C正确。例2、洗衣机脱水桶正常工作时，转速为n=2800r/min，脱水后由切断电源到电动机停止转动的时间为t=16s。实际发现t1=13s左右时，洗衣机振动最为剧烈，若切断电源后转速是均匀减小的，则洗衣机振动的固有频率大约为多少？解析洗衣机脱水电机的转动给洗衣机提供了驱动力，使洗衣机做变速振动，当切断电源后，脱水桶转速随时间均匀减小，设t1=13s时的转速为n/，由题意可知srntttnn/75.8)1316(16602800)1316(16)(1于是，此时洗衣机做受迫振动的驱动力的频率为f驱=8.75Hz，而洗衣机在t1=13s左右时振动最为剧烈，则说明此时洗衣机发生了共振，故此时驱动力的频率与其固有频率相等，即f固=f驱=8.75Hz。例3、人们在使用洗衣机进行脱水时，有时会遇到洗衣机不运转的故障，原因之一就是洗衣机的波轮被袜类、手帕等物品缠绕在波轮上，使其被卡住。如果长时间的让洗衣机通电，则很容易使其电机被烧坏。请简要说明其中的道理。解析洗衣机正常工作时，电机运转，从而带动波轮运转。电能的绝大部分转化为机械能，而较小的一部分转化为电机内阻发热所产生的内能。而波轮被卡住时，电能全部转变为电机内阻发热所产生的内能，这样，洗衣机的电机很容易被烧坏。例4、一台国产XQB42－878型全自动洗衣机说明书中所列的主要数据如右表。试根据表中的数据计算：①这台洗衣机在额定电压下洗衣或脱水时，通过洗衣机的电流是多大？②如果洗衣、脱水的累计时间为40min，则洗衣机耗电多少度？解析①由表格中数据可知，额定电压、额定功率分别为U=220V，P=400W，则I=P/U=400/220A≈1.82A②W=Pt=(400×10-3)kW×(40/60)h≈0.27kW·h=0.27度例5、日常生活中洗衣机的插头为三脚插头，使用洗衣机时，需将三脚插头插入三孔插座中，三脚插头及三孔插座均接有地线，而有的人安全意识不强，图省事，不接地线，请问这样做有什么安全隐患？解析如图1所示，三孔插座的三个孔分别接火线（相线）L、零线N及地线E，其中中间那个插孔为地线插孔，相应的对三脚图1图2图3插头而言，三个插头分别插入火线（相线）L、零线N及地线E插头，其中中间那根最长的为地线插头。通常情况下，地线的一端接在三孔插座的地线插孔上，另一端接在地下，或接在金属自来水管上再连接到地下。一般来说，洗衣机的插头为三脚插头，其地线接到洗衣机的金属外壳（或外壳的金属部分）。当我们使用洗衣机时，需将其三脚插头插入三孔插座中，这样，洗衣机的金属外壳（或外壳的金属部分）就接地了。在正常情况下，地线中没有电流；然而，一旦洗衣机发生漏电，电流就可以从其金属外壳（或外壳的金属部分）电源220V～/50Hz使用水压0.03MPa～1MPa输入功率400W整机质量37㎏额定洗涤容量4.2㎏洗涤方式新水流额定脱水量4.2㎏排水方式重力排水外型尺寸/mm540×540×880脱水方式离心脱水2流入地线再流入大地，人体接触洗衣机的金属外壳时，人体与地线形成并联关系，由于地线的电阻比人体的电阻小很多，所以，电流绝大部分由地线流入大地，而通过人体的电流较小（在人体允许通过的安全电流范围之内），如图2所示。这样，人体就不会发生触电事故。但是，如果我们不接地线（无论是插座还是插头），一旦洗衣机发生漏电且人体（特别是湿手）接触其金属外壳（或外壳的金属部分）时，则电流就几乎全部经过人体，如图3所示。于是，人体就发生了触电事故，这是十分危险的。综上所述，无论是三孔插座还是三脚插头，都应该接地线。例6、全自动洗衣机中的水位开关是一个压力开关。其工作原理是利用开关内的空气随着水位上升所增加的压力，使开关动作，关闭水阀。在排水时，随着水位的下降，空气室内的压力随之下降，开关回复到初始位置。如图4所示，当水被注入洗衣桶后，其中的空气很快被封闭在左侧的小管中，随着水位的上升，被封闭的空气的压强将增大。通常桶内外液面差为h（15～35cm），求：图4（1）被封闭的空气的压强p大约是多少？（2）若橡胶膜片的半径为r=2.5cm，则压缩空气对橡胶膜片的压力F有多大？解析（1）设水的密度为ρ=1×103kg/m3，标准大气压为p0=1×105Pa。被封闭的空气之压强数值可根据洗衣桶的水位差及p=p0＋ρgh来确定。则p1=p0＋ρgh1=1×105Pa＋1×103×9.8×15×10-2Pa=1.015×105Pa，p2=p0＋ρgh2=1×105Pa＋1×103×9.8×35×10-2Pa=1.034×105Pa。∴p的范围是1.015×105～1.034×105Pa。（2）压缩空气对橡胶膜片的压力F可根据上一问的压强数值及F=ps来确定。F1=p1s=p1πr2=1.015×105×3.14×(2.5×10-2)2N=199.2NF2=p2s=p2πr2=1.034×105×3.14×(2.5×10-2)2N=202.9N∴F的范围是199.2～202.9N。例7、如图5所示是全自动洗衣机中的脱水桶，其直径为d=38cm，脱水桶工作时的转速为n=820r/min，则脱水桶工作时衣服所具有的向心加速度an=_________m/s2，脱水桶使衣服脱水的原因是__________________________________________。解析脱水桶工作时，衣服紧靠脱水桶壁并随之做匀速圆周运动。脱水桶的角速度为ω=2πn=2×3.14×820/60=85.5（rad/s）衣服所具有的向心加速度为an=ω2r=85.52×19×10-2=1398.7（m/s2）图5设一个小水滴的质量为m，其重力与做匀速圆周运动所需的向心力之比为man/(mg)=an/g=1398/9.8=142.7，即向心力大约是其自身重力的143倍，而衣服对小水滴的附着力不可能有这么大，于是小水滴将做离心运动，从桶壁的小空飞出去，从而使衣服脱水。例8、普通洗衣机的脱水桶以n=1200r/min的速度高速旋转，为避免发生人身伤害事故，脱水结构都装有安全制动系统。该系统由脱水桶盖板、制动钢丝、刹车制动盘等组成。当脱水桶运转时，如果打开脱水桶盖板，则该系统将产生制动作用。安全制动系统有两个作用，其一是将脱水电动机的电源自动切断；其二是制动器自动刹紧，使脱水桶迅速停止转动。如图6所示为脱水制动示意图。设衣服和脱水桶的总质量为m=3kg，脱水桶的半径为R1=9cm，刹车盘的半径为R2=6cm，打开脱水桶盖板到脱水桶停止转动共用时t=5s。试估算在这段时间内脱水桶转动了多少圈以及刹车带上的摩擦力f的大小。图6解析脱水桶正常工作时的转速为n=1200r/min=20r/s，打开其盖板，安全制动系统使其停止转动历时t=5s。在这段时间内，我们认为脱水桶的转速是均匀减小到零。则其平均转速为n=（n＋0）/2=20/2=10（r/s），脱水桶转动的圈数为k=n×t=10×5=50（圈）设刹车后刹车盘在刹车带上经过的路程为s，脱水桶和衣服的线速度为v。脱水后，衣服紧靠脱水桶桶壁，两者都具有动能；刹车后，其动能用来克服刹车带与刹车盘之间的摩擦力所做的功而产生的热量，即动能转3化为内能。由动能定理有-fs=0－mv2/2，刹车盘在刹车带上经过的路程为s=2πR2k又v=ωR1=2πR1n联立上面三式可解得f=2πmn2R12/(kR2)=2×3.14×3×202×(9×10-2)2/(50×6×10-2)=20.3(N)本文发表在《考试报》（高中物理）（全国公开发行）2003年6月17日总第830期/专版第24期及2003年6月24日总第832期/专版第25期